一种单相整流模拟控制电路论文和设计-陈道磐

全文摘要

本实用新型公开一种单相整流模拟控制电路，包括电压外环电路、模拟乘法器电路、电流内环电路、调制波的重构电路、电压参考比较电路及被控制的功率电路，通过交流输入电压的采样信号通过模拟乘法器电路相乘后，输出一个与输入电压同相位电流指令信号（正向运行）或者与输入电压相位相差180°的电流指令信号（反向运行）。电流内环输出的调制波信号与过零检测电路输出的电压进行叠加，在其中一个桥臂的上下管均关断时间内生成一个电位完全为正的重构调制波信号。这种模拟控制方式相比数字控制方式具有以下优点：控制延时小、控制带宽高、响应快、抗干扰能力强、对电网有较好的适应性。

主设计要求

1.一种单相整流模拟控制电路，其特征在于：包括电压外环电路、模拟乘法器、电流内环电路、调制波重构电路、电压参考比较电路以及被控制的功率电路，被控制的功率电路包括交流输入电源和由功率开关管构成的两个桥臂电路，交流输入电源与第一桥臂电路之间连接有电感L，桥臂电路的输出端通过输出电压采样电路连接至电压外环电路的一个输入端，电压外环电路的另一个输入端连接给定电压，电压外环电路的输出端连接至模拟乘法器的一个输入端，模拟乘法器路的另一个输入端通过交流电压采样电路连接交流输入电源，模拟乘法器的输出端连接至电流内环电路的一个输入端，电流内环电路的另一个输入端通过电感电流采样电路连接电感L，电流内环电路的输出端与过零检测电路的输出端连接在一起形成调制波重构电路，过零检测电路的输入端分别接地和与交流输入电源相连的交流电压采样电路，调制波重构电路的输出端和三角波信号分别连接至比较器U2A的两个输入端，比较器U2A的输出端一路连接至第一桥臂电路上桥臂功率开关管V1的栅极，另一路经反相器连接至第一桥臂电路下桥臂功率开关管V2的栅极，电压参考比较电路的输入端分别连接交流电压采样电路输出的电压和参考电压，输出端连接至第二桥臂电路桥臂功率开关管的栅极。

设计方案

2.根据权利要求1所述的单相整流模拟控制电路，其特征在于：电压外环电路包括电阻R1、R2、电容C1和运算放大器U1A，运算放大器U1A的反相端经电阻R1与输出电压采样电路相连，运算放大器U1A的同相端连接给定电压，电阻R2和电容C1串联在运算放大器U1A的输出端和反相端之间。

3.根据权利要求1所述的单相整流模拟控制电路，其特征在于：电流内环电路包括电阻R3、R4、电容C2和运算放大器U1B，运算放大器U1B的反相端经电阻R3与电感电流采样电路相连，运算放大器U1B的同相端与模拟乘法器的输出端相连，电阻R4和电容C2串联在运算放大器U1B的输出端和反相端之间。

4.根据权利要求1所述的单相整流模拟控制电路，其特征在于：调制波重构电路包括比较器U2B、电阻R5、R6，比较器U2B为过零检测电路，其同相端接地，反相端经过交流电压采样电路连接交流输入电源，电阻R5一端连接在电流内环电路的输出端，电阻R6一端连接在比较U2B的输出端，电阻R5和电阻R6的另一端叠加在一起后连接至比较器U2A的反相端，三角波信号连接至比较器U2A的正向输入端。

5.根据权利要求1所述的单相整流模拟控制电路，其特征在于：电压参考比较电路包括比较器U2C、U2D，比较器U2C的反相端与交流电压采样电路相连，其同相端连接参考电压-5Vref，输出端连接至第二桥臂电路上桥臂功率开关管V3的栅极，比较器U2D的正向输入端与交流电压采样电路相连，其反相端连接参考电压+Vref，输出端连接至第二桥臂电路下桥臂功率开关管V4的栅极。

6.根据权利要求1所述的单相整流模拟控制电路，其特征在于：模拟乘法器型号为AD633。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种单相整流控制电路，尤其是一种通过模拟控制实现的硬件电路。

背景技术

随着经济发展，用电设备数量的大量增加，给电网带来了越来越多的谐波污染，功率因数提升和谐波治理越来越重要，传统的二极管布控整流方法已经不符合发展要求。

单相的基于BOOST升压电路拓扑的PFC整流，只能实现从电网吸收能量的单一功能，不能实现向电网回馈能量的功能，应用范围有限。

单相整流器的数字控制方法，受限于处理器的运算延时存在调制误差，并且在电网谐波含量大质量差时，对电压运行的相位跟踪也存在误差，响应速度慢。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种单相整流模拟控制电路，用于提高功率因素、减少谐波污染，且能实现正反向运行，快速响应跟随电压相位减小调制误差。

为了解决所述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种单相整流模拟控制电路，包括电压外环电路、模拟乘法器、电流内环电路、调制波重构电路、电压参考比较电路以及被控制的功率电路，被控制的功率电路包括交流输入电源和由功率开关管构成的两个桥臂电路，交流输入电源与第一桥臂电路之间连接有电感L，桥臂电路的输出端通过输出电压采样电路连接至电压外环电路的一个输入端，电压外环电路的另一个输入端连接给定电压，电压外环电路的输出端连接至模拟乘法器的一个输入端，模拟乘法器路的另一个输入端通过交流电压采样电路连接交流输入电源，模拟乘法器的输出端连接至电流内环电路的一个输入端，电流内环电路的另一个输入端通过电感电流采样电路连接电感L，电流内环电路的输出端与过零检测电路的输出端连接在一起形成调制波重构电路，过零检测电路的输入端分别接地和与交流输入电源相连的交流电压采样电路，调制波重构电路的输出端和三角波信号分别连接至比较器U2A的两个输入端，比较器U2A的输出端一路连接至第一桥臂电路上桥臂功率开关管V1的栅极，另一路经反相器连接至第一桥臂电路下桥臂功率开关管V2的栅极，电压参考比较电路的输入端分别连接交流电压采样电路输出的电压和参考电压，输出端连接至第二桥臂电路桥臂功率开关管的栅极。

进一步的，电压外环电路包括电阻R1、R2、电容C1和运算放大器U1A，运算放大器U1A的反相端经电阻R1与输出电压采样电路相连，运算放大器U1A的同相端连接给定电压，电阻R2和电容C1串联在运算放大器U1A的输出端和反相端之间。

进一步的，电流内环电路包括电阻R3、R4、电容C2和运算放大器U1B，运算放大器U1B的反相端经电阻R3与电感电流采样电路相连，运算放大器U1B的同相端与模拟乘法器的输出端相连，电阻R4和电容C2串联在运算放大器U1B的输出端和反相端之间。

进一步的，调制波重构电路包括比较器U2B、电阻R5、R6，比较器U2B为过零检测电路，其同相端接地，反相端经过交流电压采样电路连接交流输入电源，电阻R5一端连接在电流内环电路的输出端，电阻R6一端连接在比较U2B的输出端，电阻R5和电阻R6的另一端叠加在一起后连接至比较器U2A的反相端，三角波信号连接至比较器U2A的正向输入端。

进一步的，电压参考比较电路包括比较器U2C、U2D，比较器U2C的反相端与交流电压采样电路相连，其同相端连接参考电压-5Vref，输出端连接至第二桥臂电路上桥臂功率开关管V3的栅极，比较器U2D的正向输入端与交流电压采样电路相连，其反相端连接参考电压+Vref，输出端连接至第二桥臂电路下桥臂功率开关管V4的栅极。

进一步的，模拟乘法器型号为AD633。

本实用新型的有益效果：本实用新型利用模拟乘法器输出一个与输入电压同相位的电流指令信号（正向运行）或者与输入电压相位相差180°的电流指令信号（反向运行），电流指令信号与输入电压同相位或者相差180°，可以提高功率因数，减少谐波污染，同时电压跟随电路根据给定电压和采样电压的大小关系调整运放U1A输出的幅值大小，正向运行时输出正值，反向回馈能量时输出负值，实现正反向运行，同时模拟控制电路无需处理器的运算过程，具备双向运行能力且控制延时小、控制带宽高、响应速度快，对来自电网的干扰有较好的适应性。

附图说明

图1为本控制电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种单相整流模拟控制电路，如图1所示，包括电压外环电路、模拟乘法器、电流内环电路、调制波重构电路、电压参考比较电路及被控制的功率电路。被控制的功率电路包括交流输入电源和由功率开关管构成的两个桥臂电路，交流输入电源与第一桥臂电路之间连接有电感L，桥臂电路的输出端通过输出电压采样电路连接至电压外环电路的一个输入端，电压外环电路的另一个输入端连接给定电压，电压外环电路的输出端连接至模拟乘法器的一个输入端，模拟乘法器路的另一个输入端通过交流电压采样电路连接交流输入电源，模拟乘法器的输出端连接至电流内环电路的一个输入端，电流内环电路的另一个输入端通过电感电流采样电路连接电感L，电流内环电路的输出端与过零检测电路的输出端连接在一起形成调制波重构电路，过零检测电路的输入端分别接地和与交流输入电源相连的交流电压采样电路，调制波重构电路的输出端和三角波信号分别连接至比较器U2A的两个输入端，比较器U2A的输出端一路连接至第一桥臂电路上桥臂功率开关管V1的栅极，另一路经反相器连接至第一桥臂电路下桥臂功率开关管V2的栅极，电压参考比较电路的输入端分别连接交流电压采样电路输出的电压和参考电压，输出端连接至第二桥臂电路桥臂功率开关管的栅极。

本实施例中，电压外环电路包括电阻R1、R2、电容C1和运算放大器U1A，运算放大器U1A的反相端经电阻R1与输出电压采样电路相连，运算放大器U1A的同相端连接给定电压，电阻R2和电容C1串联在运算放大器U1A的输出端和反相端之间。电压外环电路根据电压给定和电压采样的大小关系调整运放U1A输出的幅值大小，正向运行时输出正值，反向回馈能量时输出负值，使电压给定和电压采样的值相等。

模拟乘法器型号为AD633，其作用是把电压外环输出的直流量和交流输入电压采样的交流量相乘后，得到与交流输入电压同相位的电流指令（正向运行）或者与交流输入电压相差180°的电流指令（反向运行）。

电流内环电路包括电阻R3、R4、电容C2和运算放大器U1B，运算放大器U1B的反相端经电阻R3与电感电流采样电路相连，运算放大器U1B的同相端与模拟乘法器的输出端相连，电阻R4和电容C2串联在运算放大器U1B的输出端和反相端之间。电流内环电路根据模拟乘法器输出的电流指令和电流采样大小关系，调整U1B输出的正弦调制波的幅值和相位，使电流指令和电流采样的值相等。

调制波重构电路包括比较器U2B、电阻R5、R6，比较器U2B为过零检测电路，其同相端接地，反相端经过交流电压采样电路连接交流输入电源，电阻R5一端连接在电流内环电路的输出端，电阻R6一端连接在比较U2B的输出端，电阻R5和电阻R6的另一端叠加在一起后连接至比较器U2A的反相端，三角波信号连接至比较器U2A的正向输入端。调制波重构电路在U2A的反相端生成一个幅值完全为正的重构调制波，用来与完全为正值的三角波比较，生成V1、V2的开关控制信号。

本实施例中，电压参考比较电路包括比较器U2C、U2D，比较器U2C的反相端与交流电压采样电路相连，其同相端连接参考电压-5Vref，输出端连接至第二桥臂电路上桥臂功率开关管V3的栅极，比较器U2D的正向输入端与交流电压采样电路相连，其反相端连接参考电压+Vref，输出端连接至第二桥臂电路下桥臂功率开关管V4的栅极。

工作时，电压外环电路根据采样的输出电压和给定电压的关系生成功率大小控制信号，正向运行时输出正值，反向回馈能量时输出负值；然后模拟乘法器将功率大小控制信号与交流输入电压的采样信号相乘，输出一个与输入电压同相位电流指令信号（正向运行）或者与输入电压相位相差180°的电流指令信号（反向运行）；电流内环电路该根据模拟乘法器输出的电流指令信号和电感电流采样信号的大小关系，调整U1B输出的正弦调制波的幅值和相位，使电流指令和电流采样的值相等，输出调制波信号，该调制波信号与过零检测电路输出的电压进行叠加，生成一个电位完全为正的重构调制波信号与完全为正值的三角波信号比较，根据比较结果控制第一桥臂电路上下两个桥臂功率开关管的工作状态。通过设有电压参考比较电路，根据交流电压采样信号与参考电压的大小关系控制第二桥臂电路上下两个桥臂开关管的工作状态，交流输入电压采样信号为±5V范围内时，通过±5V参考电压和比较器电路，第二个桥臂的两个功率元件均关断，且在此死区时间内过零检测电路完成转换，保证了主电路在过零转换时的稳定运行。

以上描述的仅是本实用新型的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和替换，属于本实用新型的保护范围。

设计图

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